超声波测距器器的设计

题目基于单片机AT89c51的超声波测距器的设计
学号及XX：
2081224109邓刚
专业名称电子信息科学与技术
2010年10月11日
一:内容提要
随着科技的快速发展，超声波测距应用越来越广泛，可应用于汽车倒车、测量汽车速度（是否超速）、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。

要求测量X围在0.27~4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

就目前水平而言超声波应用X围还是比较有限，还有很大的发展空间，将向高精确度超远距离方向发展。

尤其是在军事方面，对检测发现作战于海底的潜艇来说尤为重要，在未来海陆空一体化的战争中检测识别敌人位置的工作越来越重要，超声波可发挥其应有的作用，在未来我相信超声波测距这些将和计算机信息技术，人工智能融合将发挥更大的作用。

二：目录
1.功能原理描述及：3
1意义及功能：3
2.超声波测距器的概述4
2. 硬件电路及描述4
2.1硬件电路4
2.2系统的原理4
3.软件设计流程及描述6
3．1主程序及流程图6
3.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序7
3.3系统初始化7
4结论：8
5.课程设计体会：8
6．参考文献：8
7.附件8
1.功能原理描述及人员分工：
1.功能原理描述：
我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。

利用超声波检测距离比较方便，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。

据设计要求并综合各方面因素，本例觉得采用STC89C52单片机作为主控制器，用1602作为显示器，超声波驱动信号用单片机的定时器来完成。

原理
超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。

在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一
系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲与被测距离成正比。

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2.超声波测距器的概述
随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。

合成时间住的许多不可预见因素，超声波技术对于解决这些问题提供了新的方法。

本设计采用以AT89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。

各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图。

经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。

2. 硬件电路及描述
2.1硬件电路
本系统中选用的探头是40KHz的超声传感器，有一支接收传感器和一支发射传感器组成。

AT89C51是一种带4KB可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，4线—16线译码器,可以实现地址的扩展根据LED的公共极是阳极还是阴极分为两类译码器，即针对共阳极的低电平有效的译码器；针对共阴极LED的高电平输出有效的译码器。

2.2系统的原理
超声测距大致有以下方法：
①取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；
②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=1／2vt。

本测量电路采用第二种方案。

由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

超声波测距学习板采用STC89C51单片机,晶振:12M,单片机用P1.0口输出超声波换能器所需的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简
单的4位共阳LED数码管,断码用74LS245,位码用8550驱动.
超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。

X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。

由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离.
超声波测距器的系统框图如下图所示：
超声波接收
超声波发送
单片机
控制器
LED显示
扫描驱动
超声波测接收电路
图为超声波发送电路
3.软件设计流程及描述
3．1主程序及流程图
主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端P0和P2清0。

然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。

由于采用12MHz 的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取20℃时的声速为344m/s则有：
d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值）
测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。

主程序框图如下
主程序流程图
3.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。

超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。

进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。

如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。

3.3系统初始化
register unsigned char i,j,k,l,q,w;
//初始化
SCON = 0x00; //串口工作模式0：移位寄存器方式
TMOD = 0x01; //定时器T0工作方式1：16位方式
TR0 = 1; //启动定时器T0
CONIO = 0x3f; //CONIO端口初值
IE = 0x82; //允许定时器T0中断
4结论：
本系统在空气中测量X围为0～3m左右，对固体，液体表面均可测量，但要求被测表面比较光滑平坦，确保超声波能够被反射回来，并被探头接收。

在实验中，对8～260cmX 围进行测量，经误差补偿后近距离是最大误差达30mm。

线性度，稳定性和重复性都比较好
5.课程设计体会：
通过本次实验的设计，我们掌握了超声波测距的原理，超声波的发射电路和超声波的检测接收电路，让我们更进一步的了解掌握一些简单系统的设计，一系列的制图软件的使用让我们更加熟练的掌握电路图的画法。

系统程序的设计是我们的弱项，感觉到在程序设计方面很吃力，我们会继续努力。

不过通过这次实验设计我们也得到了不少的锻炼！
6．参考文献：
○1《单片机课程设计》第三章航空航天大学
○2《单片机快速入门》航空航天大学
7.附件
实物图如下所示。